超塑成形/扩散连接结构设计及试验研究

中航工业成都飞机设计研究所 黄 瑞

超塑成形/扩散连接技术可以使复杂薄壁零件整体化，在降低飞行器结构质量，提高结构完整性和承载效率方面具有独特的技术优势[1]。超塑成形/扩散连接的整体结构具有成形性好、设计自由度大、成形精确、无残余应力、零件数量少等优点，在减轻飞行器结构质量，降低生产成本方面显示了极大的优越性[2-3]。

为充分利用SPF/DB技术的优点，本文对SPF/DB结构的设计过程进行了阐述，以期对SPF/DB结构的设计提供一个借鉴。

1 SPF/DB结构设计流程

SPF/DB结构的设计可按方案设计、详细设计、验证改进试验3个阶段进行，其设计流程如图1所示。

在方案设计阶段，主要是对结构的结构特点及设计难点进行分析，从而确定结构设计方案，经与工艺进行沟通并多轮反馈后，可最终确定可行的结构方案。

在详细设计阶段，确定结构参数及设计进排气道，形成结构数模，进行强度校核，强度满足后，即可向工厂提交数模，并进行试制件的生产。

为减轻结构质量，在验证改进试验阶段，对已生产的试制件进行静力及壁厚估计试验，以验证在详细设计阶段所选择的结构参数是否还有改进的余地，如果有，可对板料的厚度进行优化，然后进行强度校核，如果有可能，还可进行结构的装机考核试验，从而确定最终可用于装机的数模及装机件。

2 SPF/DB结构设计过程

以某口盖为例，按第1节中所述的结构设计流程，对SPF/DB结构的设计过程作详细的阐述。

2.1 方案设计

该口盖具有如下结构特点：大尺寸(2500mm×1600mm)，大曲率。在设计的时候，要考虑的设计难点有：原材料尺寸、零件分块、零件脱模、工艺成形的实现。还需要考虑下面4方面的工艺因素：原材料的规格限制、设备能力的限制、单块SPF/DB成形模具规模、零件脱模限制。

在分析考虑了上述难点及工艺因素后，形成了图2所示的口盖设计方案。口盖纵向分为2块，横向分为2块，并采用激光拼焊将口盖拼接为整体。

2.2 详细设计

（1）确定结构参数 。

口盖为二层板结构，板料厚度初步按外层蒙皮厚度1.0 mm，内层加筋板厚度1.5 mm。加强筋设计参数：筋条高H、筋条宽度W、起 筋角γ，如图3所示。

假设起筋处变薄均匀，为保证加筋板的变薄量不大于40%，则有下式成立：

其中，

将式（2）代入式（1），可得：

图1 SPF/DB结构设计流程Fig.1 Design flow of SPF/DB structure

图2 SPF/DB口盖设计方案Fig.2 Design proposal of SPF/DB cover

在确定了起筋角γ及筋条的宽度W后，即可根据式（3）大致确定筋条的高度H。

（2）进排气道设计。

设计进排气道，是为了保证SPF/DB工艺的实现。图4中，在口盖边缘的内层板开一高约3mm,宽约6mm的进排气道。

（3）强度分析。

由于口盖主要传递剪力，从图5的有限元计算结果看腹板剪力变化不大，而7、8、17号板的临界应力较小，因此对这3个板校核其稳定性。

7号板：

τ＝-49.9×1.5/2.5＝30MPa；M.S.＝88/30-1＝1.9；

8号板：

τ＝34.3×1.5/2.5＝20.58MPa；M.S.＝76/20.58-1＝2.6；

图3 筋条参数计算示意图Fig.3 Schematic diagram for parameter computation of stiffener

图5 口盖强度分析结果Fig.5 Strength analysis result of cover

17号板：

τ＝19.4×1.5/2.5＝11.64MPa； M.S.＝80/11.64-1＝5.9。

从计算结果可得出结论：口盖稳定性通过，口盖满足设计要求。

2.3 验证改进试验

验证改进试验的目标是进一步减轻结构质量，主要的改进参数是板料的厚度。

可通过下面2个试验来作为改进设计的依据：静力测试试验—对模拟件进行面内均匀剪切、均布气动载荷试验；壁厚估算试验—对试制件切取截面实测壁厚以及软件模拟。

（1）静力测试性试验。设计试验模拟件，模拟件为2层平板件，内层板为1.5mm，外层板为1mm，对试验件进行面内均匀剪切、均布气动载荷试验，试验件及试验结果如图6所示。

从试验结果可看出：试验件在面内均匀剪切、均布气动载荷加大到远大于设计载荷时，试验件均未破坏，表明试验件具有较强的承载能力及抗失稳能力，强度还有富余，板料厚度还有减薄的余地。

（2）壁厚估算试验。

根据口盖上的典型截面形式，采用有限元分析的方法，模拟超塑成形后的厚度分布。采用MARC有限元软件，对两处典型截面区域进行超塑成形过程模拟，原始板料厚度为1mm。由于是等温超塑成形，因此忽略变形过程中的温度变化。本模拟中，为刚塑性材料模型，对超塑成形材料的应变硬化模型采用Backofen流变方程。由速度突变法得到m=0.63，计算TC4钛合金的材料常数K值为1315.2MPa·S。

图6 口盖静力试验结果Fig.6 Static test result of cover

从模拟结果可看出，若内层加筋板原始板料厚度减为1.0mm时，超塑成形后的内蒙皮壁厚应不低于0.7mm。因此，口盖内层加筋板选用厚度为1.0mm的板料，其成形后的壁厚在可接受的范围内。

（3）改进参数及强度分析。

根据上面的试验结果，选择内层加筋板料厚度为1.0mm，考虑到连接、承载以及防外部冲击等要求，外蒙皮板料厚度仍为1.0mm。

经过强度计算，改进厚度后的口盖满足强度要求。

3 结论

本文通过对SPF/DB口盖设计过程的阐述，针对SPF/DB结构，建立了一套行之有效的飞机SPF/DB结构设计流程与方法，形成了一套工程适用的结构设计性试验方法,可为SPF/DB结构的设计提供借鉴。

[1] 李志强，郭和平.超塑成形/扩散连接技术的应用与发展现状.航空制造技术，2010(8)：32-33.

[2] 王哲.钛合金超塑成形/扩散连接技术在飞机结构上的应用.钛工业进展，1999(16)：23-25.

[3] 王向明.飞机钛合金结构设计与应用.北京：国防工业出版社，2010.